Formele de viață timpurii de pe Pământ se confruntau cu radiațiile ultraviolete (UV) intense ale Soarelui, fără protecția stratului de ozon. Și totuși, acolo unde ARN-ul (acidul ribonucleic) este o moleculă înrudită cu ADN-ul, care ajută la citirea și folosirea informației genetice, de exemplu la producerea proteinelor. „Monocatenar” înseamnă că e format de regulă dintr-un singur lanț, spre deosebire de ADN, care are două. folosește Una dintre cele patru baze azotate ale ARN-ului. În ADN, locul lui este luat de timină., ADN-ul a ajuns să se bazeze pe Una dintre cele patru baze azotate ale ADN-ului, alături de adenină, guanină și citozină. Se deosebește de uracil printr-o grupare metil, adică un atom de carbon legat de trei atomi de hidrogen., o unitate chimică de bază pe care radiațiile UV o deteriorează mai ușor.
Timina mai are un dezavantaj aparent. Absoarbe cel mai bine radiațiile UV într-o zonă a spectrului în care, potrivit modelelor, lumina Soarelui era pe atunci de circa 2,5 ori mai intensă decât acolo unde absoarbe cel mai bine uracilul. Poate că, pe acel Pământ primitiv, evoluția ADN-ului a depins de un avantaj molecular neașteptat.
Un studiu de laborator realizat la Universitatea Texas A&M, SUA, sugerează că timina ar fi putut ajuta moleculele genetice timpurii să supraviețuiască, orientând daunele provocate de UV spre o formă mai ușor reversibilă. Rezultatele, publicate în revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), ar putea explica de ce, pe măsură ce sistemele genetice au evoluat spre ADN, timina a luat locul uracilului.
Timina e mai vulnerabilă la UV, dar daunele ei tind să fie mai ușor reversibile
Dr. Peter Rentzepis, profesor la Departamentul de Inginerie Electrică și a Calculatoarelor al universității, și asistenții săi de cercetare, Keyvan Khosh Abady și Negar Karpourazar, au comparat timina și uracilul sub radiații UV, în condiții controlate. Experimentul a fost gândit să imite mediul puternic iradiat al Pământului primordial, inclusiv diferența de intensitate dintre zonele spectrului în care absorb cele două baze. Probele au fost iradiate în stare înghețată, la −15 °C: în gheață, moleculele ajung strânse una lângă alta, într-o așezare apropiată de cea din Acizii nucleici, adică ADN-ul și ARN-ul, sunt molecule lungi care stochează și transmit informația genetică. O catenă este unul dintre lanțurile lor: o succesiune de unități legate între ele, fiecare purtând câte o bază azotată..
Cercetătorii au apelat la biofotonică, un domeniu care folosește metode bazate pe lumină pentru a studia fenomenele biologice. Printre instrumentele folosite s-au numărat spectroscopia de absorbție, cea de fluorescență și Metodă care identifică moleculele după felul în care împrăștie lumina unui laser. O mică parte din lumina împrăștiată își schimbă lungimea de undă în funcție de legăturile chimice din moleculă, ceea ce produce o amprentă specifică., care urmăresc cum absorb, emit sau împrăștie moleculele lumina.
Măsurătorile au confirmat că timina e mai reactivă: sub aceeași radiație, s-a degradat de circa 2,7 ori mai repede decât uracilul. Contează însă și ce fel de daune apar.
Când radiația UV lovește două baze vecine, acestea se pot lega chimic una de alta, în principal în două feluri. Primul tip de legătură, Cel mai frecvent tip de daună produsă de UV: două baze vecine, de obicei timine, se leagă printr-un inel de patru atomi de carbon. „Dimer” înseamnă o pereche de molecule unite. Pirimidinele sunt grupa de baze din care fac parte timina, citozina și uracilul. (CPD), e reversibil: sub aceeași radiație, se poate desface, iar bazele revin la forma inițială. Al doilea, Tip de daună produsă de UV în care două baze vecine se leagă între atomul de carbon 6 al uneia și atomul de carbon 4 al celeilalte, de unde și numele. Spre deosebire de CPD, nu se desface semnificativ sub acțiunea luminii UV., rămâne în mare parte permanent.
Timina se deteriorează mai des, dar formează daunele permanente într-un ritm cu aproape un sfert mai lent decât uracilul. Cele mai multe daune ale ei sunt de tipul reversibil.
„Am descoperit că timina tinde să canalizeze deteriorarea provocată de radiațiile UV spre o formă mai reversibilă. Asta sugerează că moleculele genetice timpurii ar fi putut supraviețui luminii solare intense nu evitând deteriorarea, ci ținând-o sub control și înlesnind autorepararea. În acest sens, timina ar fi putut acționa ca o protecție solară moleculară, absorbind energia UV dăunătoare și limitând daunele la bazele genetice, în loc să le lase să afecteze părțile mai vulnerabile ale moleculei”, a declarat Khosh Abady.
Părțile mai vulnerabile la care se referă Khosh Abady sunt, potrivit studiului, cele din scheletul de zahăr și fosfat al catenei. Acest schelet e de aproximativ 100 de ori mai sensibil la UV decât bazele, iar dacă ar absorbi direct radiația, catena s-ar rupe mai ușor.
Semnăturile luminoase ar putea ajuta la depistarea agenților patogeni
Măsurătorile stabilesc și un nou cadru de referință, care ar putea servi și cercetărilor din afara evoluției moleculare. Echipa a identificat semnături spectrale distincte, adică tipare recognoscibile în felul în care moleculele interacționează cu lumina. Acestea ar putea avea, în cele din urmă, utilizări practice.
„Semnăturile spectrale distincte pe care le-am măsurat ar putea susține aplicații de detectare mai rapidă și mai sensibilă a agenților patogeni, precum și de monitorizare a eficienței cu care dezinfecția cu raze UV inactivează microorganismele, în special în sistemele de tratare a apei”, a declarat Khosh Abady.
Distincția dintre daunele reversibile și cele permanente contează și aici. Mulți agenți patogeni tratați cu UV își repară daunele de tip CPD mai eficient decât pe cele de tip (6-4) dacă sunt expuși ulterior la lumină vizibilă sau UVA, iar asta le poate permite să-și revină. Raportul dintre cele două tipuri de daune arată, așadar, dacă dezinfecția își păstrează efectul. Cele două tipuri pot fi deosebite prin spectroscopie Raman, după semnăturile lor specifice.
În studii anterioare, echipa dezvoltase deja dispozitive portabile care înregistrează, în câteva minute, spectrele unor probe de bacterii, direct la fața locului. Datele noi oferă referința de care e nevoie pentru a interpreta astfel de spectre.
Un mecanism de reparare care nu avea nevoie de enzime
Timina nu ar fi luat locul uracilului pentru că rezistă mai bine la UV. De fapt, rezistă mai prost. Avantajul ei ar ține de felul în care se strică: de cele mai multe ori, într-un mod care se poate repara. Studiul sugerează că, asemenea unei protecții solare, timina ar fi preluat lovitura în locul restului moleculei, mult mai fragil, și ar fi ținut-o sub control. Cu alte cuvinte, evoluția nu ar fi căutat o moleculă care să nu se strice, ci una care să se strice „cum trebuie”.
Primele molecule genetice au existat cu mult înainte de enzimele care repară azi ADN-ul. Fără ele, aceeași lumină care le strica le-ar fi putut ajuta să se refacă.
Mai există o explicație pentru timina din ADN, care ține tot de reparare. Una dintre bazele azotate prezente atât în ADN, cât și în ARN. Prin pierderea unei grupări amino, proces numit dezaminare, se poate transforma spontan în uracil., o altă bază a ADN-ului, se transformă uneori singură în uracil, o greșeală care poate duce la mutații. Cum ADN-ul folosește timină, orice uracil apărut în el iese în evidență, iar enzimele de reparare îl recunosc și îl înlătură. Dacă uracilul ar fi fost o bază obișnuită a ADN-ului, greșeala nu s-ar fi putut deosebi de restul. Numai că acest mecanism are nevoie de enzime, iar pe Pământul de dinaintea vieții ele nu existau. De aceea, autorii cred că avantajul legat de lumină a contat, probabil, primul, iar cel bazat pe enzime s-a adăugat mai târziu și l-a întărit.
Rezultatele susțin o idee deja propusă, cea a „protecției solare” moleculare. Potrivit autorilor, e prima dată când rezistența la UV a celor două baze este comparată direct, în condiții asemănătoare celor de pe Pământul timpuriu. Experimentul are însă limite: bazele au fost testate separat, în gheață, nu în interiorul unor molecule reale de ADN sau ARN. Cercetătorii recunosc că un astfel de model nu redă tot ce se întâmplă nici în organismele vii, nici în condițiile de pe Pământul timpuriu.
Rentzepis și echipa sa intenționează să-și extindă cercetarea spre o etapă și mai timpurie a apariției vieții. „Sperăm să explorăm dacă componentele chimice de bază ale vieții s-au format și s-au asamblat în întregime pe Pământ sau dacă unele au fost aduse pe planeta noastră din altă parte, de meteoriți, și apoi încorporate în sistemele genetice timpurii”, a spus Khosh Abady. „Suntem recunoscători Universității Texas A&M și sponsorilor noștri de cercetare pentru sprijinul acordat acestei lucrări și pentru că ne-au permis să explorăm întrebări fundamentale despre originile vieții.”
Concret, cercetătorii își propun să examineze forțele care au adus laolaltă timina, uracilul și alte piese ale primelor sisteme genetice.
Ce s-a mai descoperit în Știință?
Oamenii de știință au descoperit de ce pielea femelelor se vindecă mai repede decât a masculilor
Cercetătorii au găsit o metodă de a distruge bacteriile intestinale periculoase fără să le afecteze pe cele benefice
Oamenii de știință leagă un zahăr neobișnuit din carnea roșie de un risc de diabet cu 63% mai mare
60.000 de muncitori, 18 ani și peste 130 de galerii săpate sub un munte, pentru un reactor care n-a pornit niciodată
